CN1716394A

CN1716394A - 用于双光子三维盘式存储的自动调焦和道跟踪装置和方法

Info

Publication number: CN1716394A
Application number: CN 200510011853
Authority: CN
Inventors: 徐端颐; 袁海波; 张启程
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2005-06-03
Filing date: 2005-06-03
Publication date: 2006-01-04
Anticipated expiration: 2025-06-03
Also published as: CN100440332C

Abstract

用于双光子三维盘式存储的自动调焦和道跟踪装置及方法属于三维数字光存储领域，其装置中主要含有：盘式双光子存储体，写入激光器，读出激光器，特殊设计的内圈焦距略小于外圈焦距的透镜，自动调焦控制系统，自动道跟踪控制系统和共焦读出系统。读出数据时，外圈透镜将读出光束聚焦于读出数据层，对此层进行聚焦和道跟踪并读出数据，写入数据时，外圈透镜将读出光束聚焦于记录过数据的最上面一层记录层上，对此层进行聚焦和道跟踪，内圈透镜将写入光束聚焦于上一层并进行写入数据。整个装置具有控制精度高，结构简单，成本低，易于集成化等优点。

Description

用于双光子三维盘式存储的自动调焦和道跟踪装置和方法

技术领域

本发明涉及双光子三维存储，属于三维数字光存储领域。

背景技术

双光子三维光存储是目前极有应用前景的高密度光存储技术。其原理是：波长为λ₁和λ₂的两种光子(既可以是等能量的光子，也可以是不等能量的两个光子)。任何一个光子都可以穿透记录介质而不被吸收，只有当两个光子聚焦于一点时，焦点附近的光强才能达到产生双光子吸收的光子密度条件，导致介质发生光致变色反应，从而实现信息的三维记录。图1所示为双光子存储的两种主要方式，(a)双光束双光子(不等能量双光子)和(b)单光束双光子(等能量双光子)。所谓双光束双光子是指在同一量子过程中，分子或原子同时吸收两个来自不同光束的不等能量光子成为激发态；而单光束双光子是指在同一量子过程中，分子或原子同时吸收两个来自同一光束的等能量光子成为激发态。单光束方式可以与现行光盘模式兼容，是目前的主要研究方向。双光子读出一般采用荧光读出，所以要求材料需具有荧光特性。这种具有荧光特性的光子吸收材料，只要吸收到特定波长的光子就发荧光，与光的强度无关。

双光子三维存储有的优点主要有：1.存储密度高；2.随机存取；3.存取速度快，理论上可达纳秒量级；4.由于双光子存储只在光束聚焦点处发生双光子激发，对此点外的部分将不产生影响，因此层间串绕小，可获得很高的存储密度；5.采用荧光读出方法，读出灵敏度高。

1989年California大学Irvine分校的Rentzepis等用双光子技术，在光致变色材料上首次实现了三维数据存储，存储密度高达10¹²bit/cm³。之后美、日等国的科学家对此进行了广泛深入的研究。1991年，Cornell大学的Webb等改用单波长单光束产生双光子的方法，在光致聚合物上成功地记录了10层。1995年，Kawata等用同样的方法在光致聚合物上记录30层获得成功。1997年，Rentzepis等在光致变色材料上记录100层获得成功，并开始其商品化生产。

单光束双光子多层写入及其共焦读出实验装置的原理如图2所示。红宝石激光器21经二倍频输出532nm的连续光，既作为蓝宝石激光器22的抽运源，又作为共焦读出装置的扫描光源。蓝宝石激光器用于双光子写入，其中心波长780nm。24、25、26、28为偏振分光棱镜。电控门23用于选通写入和读出光束。由计算机214控制的快门23可根据要记录的二进制信息对光束进行调制。XY扫描器与物镜212配合，使激光束在规定的焦平面视场范围内进行快速逐行扫描。双光子存储材料213放在微动平台215上，可沿XYZ三个方向移动。CCD摄像头210、物镜211和物镜212组成共焦光学结构。滤光片29用于阻挡反射光，只让荧光通过。整个系统的动作由计算机控制。

这种方法需要高精度的XYZ微动平工作台，来保证数据的正确写入和读取。而且整个系统体积较大，价格昂贵，离实际应用还有很大差距。

发明内容

发明目的：本发明借用目前DVD光驱中的自动调焦和道跟踪原理，提出了一种全新的适用于双光子三维盘式存储系统的自动调焦和道跟踪方法，并设计了一套结构简单，适于应用的实现装置。自动调焦和道跟踪是一套保证存取信息所用的激光光束，准确地聚焦在存储材料内指定层的信息道上的闭环控制系统。这套系统可以取代传统方案中的精密三维微动工作台和XY扫描器。在保证精度的前提下，大大降低了系统成本，减小了体积。

本发明使用了共焦读出技术。在读操作时，具有荧光特性的记录材料只要吸收到光子就会发出荧光，与入射光的强度无关。因此，当在读取时其他层被照到的区域同样会发出荧光。这样就可能产生信号串扰。采用共焦读出技术可以很好地避免这种串扰。由于在读出光路中使用了共焦技术，这与现在的光盘系统有所不同，但只要设计的共焦系统中光阑板的口径合适，光盘中的自动调焦和道跟踪原理同样适用于带有共焦光路的读出系统。

本发明在读写操作时，靠读出光束完成自动调焦和道跟踪。经特殊设计的聚焦物镜可以分别将读出光束和写入光束聚焦在不同的两点，两点之间的距离等于分层记录数据时的层间距。在每一层上读写过程中仍采用类似于现行光盘的读写方式，这样可在现有技术上较容易地进行移植和实用化。这种方法不需要增加额外的专门用于自动调焦和道跟踪的装置，大大降低了系统的复杂度和成本，增强了系统的可用性。

下面就对这些特点做详细说明：

(1)特殊设计的聚焦物镜

本发明使用的聚焦物镜结构如图3所示，它由两个焦距不同的球面透镜组成，图中31是外圈透镜，32是内圈透镜。内圈透镜焦距略小于外圈透镜的焦距。图中33是读出光束，34是写入光束。两个光束本别被透镜聚焦于两点。根据空气中的薄透镜焦距公式：

f = \frac{n r_{1} r_{2}}{(n - 1) n (r_{2} - r_{1})}

其中r₁、r₂本别是透镜两个面的曲率半径，通常取|r₁|＝|r₂|；n是透镜材料的折射率；f是透镜的焦距。可以设计出组合透镜内外圈表面的曲率值，使聚焦物镜的外圈焦距f₂与内圈焦距f₁之差等于分层记录数据时的层间距d，即d＝f₂-f₁。

在内圈透镜表面镀有光学薄膜，可以让写入光束通过，但不让记录过数据的双光子材料受读出光束照射时发出的荧光通过。因为受读出光束照射发出荧光的记录符在外圈透镜的焦点上，而不在内圈透镜的焦点上，所以荧光经过内圈透镜后不是平行光束，进入后面的道跟踪控制系统会影响离道检测的正常工作。

(2)自动调焦和道跟踪原理

本发明的自动调焦和道跟踪方法的原理如图4所示。双光子写入光束41和荧光读出光束42被物镜43聚焦于两点。两点之间的垂直距离等于记录层的层间距。双光子存储体44被制作成盘式，与现在的光盘类似。在盘式存储体的最底层有一层预先制作的螺旋伺服道45。在写入第一层时，用读出光束伺服在底层的螺旋伺服道上。这样写入光束就可以沿着伺服道，从外圈向内圈记录第一层信息。在写入第二层时，让读出光束伺服在第一层的记录符上，这样写入光束又可以沿着第一层记录符，从外圈向内圈写入第二层信息。依次类推，每记录新的一层信息，就用上一层做伺服。因为读出光束在写入光束焦点处的光子密度较低，所以不会影响正常的双光子写入过程。读出信息时，关闭写入光束，仅用读出光束读出记录信息。在写入信息时，不仅要将用户数据记录在存储体上，还要将这些数据在存储体中的位置，包括层信息和扇区信息，一同记录在存储体上。以便读取时，能在存储体上快速找到所需的数据。

(3)共焦读出技术

前面已经介绍，在读操作时，具有荧光特性的记录材料只要吸收到光子就会发出荧光，与入射光的强度无关。因此，当在读取时其他层被照到的区域同样会发出荧光。这样就可能产生信号串扰。为了避免这种串扰，本发明使用了一种共焦读出技术。如图5所示，用物镜53将读出光束51聚焦在记录介质54的某一层记录点上，透镜56又将这一点散发出的荧光精确地聚焦在光阑板57上。55是窄带滤波片，只允许记录符发出的荧光通过。探测器57在光阑板的后方，因此只能监测到从读出光束的焦点处的记录符发射出来并聚焦在光阑内的荧光。其它记录层被读出光束照亮的区域，由于不在物镜的焦点处，所以发射处来的荧光将被光阑板挡住。这样，可避免相邻记录点的串扰。共焦读出技术显著减少物镜焦点以外处荧光的收集率，所以能明显降低背景杂像，增大信噪比。

(4)自动调焦控制

自动调焦控制系统包括离焦探测器，反馈控制电路和执行器。当系统发生离焦时，离焦探测器输出离焦误差信号，经过反馈控制电路后驱动执行器，调整物镜位置消除离焦误差。因为整个系统的光路设计是基于光源为平行光束的原则，所以当读出光束聚焦于存储体的某一层信息记录面上时，在焦点处介质发出的荧光经过透镜仍为平行光束，反之则为发散或汇聚光束。因此离焦检测便成了平行光检测，检测的方法采用临界角法。如图5所示。

临界角棱镜的顶角取光线从玻璃入射到空气发生全反射的临界角。如图6(a)当入射光束聚焦在记录层上时，记录层发出的荧光经过物镜62后为平行光束。平行光束入射临界角棱镜66时，光束入射角等于临界角，因此光束全部发生全反射，到达探测器610的光强均匀分布(如图6(a)中610的俯视图)。当记录层发生离焦时，如图6(b)所示，记录层发出的荧光经过物镜62后不再是平行光束。以图6(b)中光束为例，变为汇聚光束。此时在光轴上半部分的光束以入射角大于临界角入射临界角棱镜，所以仍然发生全反射，而在光轴下半部分的光束以入射角小于临界角入射临界角棱镜，光束不能发生全反射，有部分光能泄漏。所以汇聚光束经过临界角棱镜，到达探测器的光能分布不均匀，左半部分比右半部分亮(如图6(b)中610的俯视图)。当发散光束入射临界角棱镜时，同样有一半的光束不能发生全反射，结果是探测器的左半部分比右半部分暗。这样经过差分电路的处理，便得到了离焦信号FES＝A+B-(C+D)。当聚焦时，离焦信号FES＝0；当焦点向上偏离记录层时FES＞0；当焦点向下偏离记录层时FES＜0。离焦信号经过反馈控制电路64后，驱动执行器65上下调整物镜62，让读出光束重新聚焦在记录层上。这里需要说明的一点是，光阑板69不会将离焦时记录层发出的荧光挡住。这与前面分析的共焦读出原理并不矛盾。因为记录层的间距要大于离焦距离(如果离焦距离接近层间距，调焦控制将会把读出光束聚焦到相邻层上。)，所以只要选择合适的光阑板通光口径，就可以既将临近层发出的荧光挡住，又让离焦时的荧光通过。

(5)道跟踪控制

在光盘驱动器中，主要使用的道跟踪方法又三种：三光束法、推挽法和差动相位检测法。本发明借用推挽法的原理，设计了适用于双光子三维盘式存储的道跟踪系统。三光束法因为需要额外光束辅助，不适合本双光子三维盘式存储系统。差动相位检测法与推挽法的光学和机械结构基本相同，只是在电路部分有所不同。

下面介绍本系统使用的推挽法道跟踪的原理。当读出光束聚焦后的光斑正确地落在由记录符构成的伺服道上时，记录符发出的荧光经过读出光学系统后也处于探测器中心，如图7中左半部分所示，探测器上下两部分接受到的光能相同，所以离道信号TES＝A+C-(B+D)＝0，表示光斑没有离道。若光斑向内圈偏离伺服道中心，记录符发出的荧光经过读出光学系统后，投射在探测器上的光斑也将偏离中心，因此探测器上下部分得到的光能必然不同，如图7右半部分所示，TES＞0。同理，当光斑向外圈偏离伺服道时，TES＜0。和自动调焦系统一样，离道信号也要通过反馈控制电路，驱动执行器在平行于记录层方向，左右移动物镜，消除离道偏差。

道跟踪系统与自动调焦系统的光学机械结构完全相同，实际应用中，也是将两者在一套系统上实现的。唯一区别是对探测器输出的信号做不同处理，就可以分别得到离焦信号FES和离道信号TES。并且可以证明，从同一个探测器得到的两个信号不会相互影响。首先详细介绍一下探测器的结构。在图5和图6中所示的探测器，都是四象限光电探测器，可以把A、B、C、D四个象限的光信号分别转化为四路电信号。将四路电信号相加，即可得到读出的高频信号；将四路电信号经过差分电路就可以分别得到离焦信号FES＝A+B-(C+D)和离道信号TES＝A+C-(B+D)。从图5可以得出在聚焦和离焦时探测器上的光能都是上下对称的，即A+C＝B+D，所以对TES信号的贡献为零。同样，从图7可以得出在正确跟踪和偏离时探测器上的光能都是左右对称的，即A+B＝C+D，所以对FES信号的贡献也为零。

用于双光子三维盘式存储的自动调焦和道跟踪装置，其特征在于，它包括：

计算机821；

读出激光器81，发出荧光读出光束，以下简称读出光束，读出光束为平行光束；

写入激光器82，发出双光子写入光束，以下简称写入光束，写入光束也为平行光束；

读出光束挡光片83，经过它的读出光束的横截面变为圆环形；

写入光束挡光片84，经过它的写入光束的横截面变为圆形，圆形的直径略小于经过读出光束挡光片的光束的横截面的圆环形的内径；

电子快门85，它由上述计算机821控制，在读出时，选通读出光束，在写入时，既选通读出光束，又选通写入光束，并通过快门的快速开关对写入光束进行调制，如果采用的是半导体激光器则直接控制半导体激光器的开关对写入光束进行调制；

偏振分光棱镜86，它接收来自电子快门85的读出光束；

偏振分光棱镜87，在读出时，它只接收来自偏振分光棱镜86的读出光束，写入时它既接收来自偏振分光棱镜86的读出光束，又接收来自电子快门85的写入光束；

偏振分光棱镜88，读出时，它接收来自偏振分光棱镜87的读出光束，写入时，它接收经偏振分光棱镜87组合后的内外嵌套的写入光束和读出光束；

临界角棱镜89，它的顶角取光线从玻璃入射到空气发生全反射的临界角；它接收从下述记录层的记录符上发出并经过聚焦物镜811、偏振分光棱镜88而反射来的荧光光束；

窄带滤色片810，只允许记录符受读出光束照射发出的荧光通过，阻挡其它波长的光；

聚焦物镜811，由两个焦距不同的球面透镜组成，内圈透镜32焦距略小于外圈透镜31的焦距，且外圈透镜焦距与内圈透镜焦距之差等于记录层的层间距，内圈透镜32表面镀有光学薄膜，允许让写入光束通过，但不让记录过信息的双光子材料受读出光束照射时发出的荧光通过；读出时，外圈透镜31接收来自偏振分光棱镜88的读出光束，并将读出光束聚焦在下述盘式双光子存储材料817中要读取的记录层上进行聚焦伺服和道跟踪伺服，同时读取该层数据；写入时，内圈透镜32与外圈透镜31分别接收来自偏振分光棱镜88的内外嵌套的写入光束和读出光束，外圈透镜31将读出光束聚焦在下述盘式双光子存储材料817中记录过数据的最上面一层的记录层上只进行聚焦伺服和道跟踪伺服，而不读取此层数据，以下称此层为伺服层，内圈透镜32将写入光束聚焦在伺服层的上一层并将数据写入该层；读出光束焦点处的记录符受读出光束照射而发出的荧光经外圈物镜后变为平行光束射向偏振分光棱镜88，射向内圈透镜32的荧光被镀在内圈透镜32表面上的光学薄膜所阻挡，当记录符偏离读出光束的焦点时，记录符发出的荧光经外圈透镜31后变为不平行光束；

透镜812，与聚焦物镜811组成共焦透镜组，接收偏振分光棱镜88反射的平行的荧光光束；

光阑板813，所述共焦透镜组将记录符发出的荧光精确的聚焦在这块光阑板813上；

四象限光电探测器814，它有A、B、C、D四个独立的探测器，在空间上它们分别依次位于第一、二、三、四共4个象限，它监测聚焦在光阑板813上的上述荧光光束，并输出4路相对应的也用A、B、C、D表示的电信号；

盘式双光子存储材料即盘片817，在它的底层有一层预先制作的螺旋伺服道，数据沿着螺旋伺服道被一层一层的记录到盘式双光子存储材料中，层间距等于写入光束和读出光束被物镜聚焦于两点之间的垂直距离，在记录过数据的记录层上存有用户数据以及这些数据所在的层信息和扇区信息；

夹持器818，用于夹紧盘式双光子存储材料817；

转盘电机819，它与夹持器818固定在一起，驱动盘式双光子存储材料817恒角速度转动；

执行器816含有：聚焦物镜支架825；光学头支架827，与聚焦物镜支架825用阻尼弹簧826连接；道跟踪线圈822和聚焦线圈824，分别绕在聚焦物镜支架825上，两个线圈在空间上交叉90度；两块永磁体823，固定在光学头支架827上；光学头定位电机829带动精密丝杠828，沿水平方向从盘片的外圈向内圈或从盘片的内圈向外圈推动光学头支架；

运算电路820，它由运算放大器构成的加法器和减法器组成，接收上述四象限光电探测器814输出的4路电信号，将这些信号进行加减运算生成聚焦误差信号FES、道跟踪误差信号TES和读出信号RF；FES＝A+B-(C+D)，若入射光束聚焦在记录层上时，FES＝0，当焦点向上偏离记录层时，FES＞0，反之，FES＜0；TES＝A+C-(B+D)，当读出光束聚焦后的光斑正确落在上述由记录符形成的螺旋伺服道时TES＝0，当向内圈偏离上述螺旋伺服道时，TES＞0，反之，TES＜0；RF＝A+B+C+D；

反馈控制电路815，运算电路输出的聚焦误差信号FES和道跟踪误差信号TES，分别与计算机送入的经过数模转换的参考信号相减后，分别送入PID校正电路1和PID校正电路2，PID校正电路1和PID校正电路2的输出分别与偏置电压相加后送入压流转换芯片BA5937的两个输入端，生成驱动执行器816中的聚焦线圈824和道跟踪线圈822的电流信号，调整聚焦物镜811的位置消除聚焦误差和离道误差；改变其中流过聚焦线圈804的电流能使聚焦物镜811沿盘式双光子存储材料817的轴向微动，改变流过道跟踪线圈803的电流能使聚焦物镜811沿平行于盘式双光子存储材料817中记录层的径向微动，从而实现自动调焦和道跟踪；

光学头，由所述读出激光器81，写入激光器82，读出光束挡光片83，写入光束挡光片84，电子快门85，偏振分光棱镜87，偏振分光棱镜86，偏振分光棱镜88，临界角棱镜89，窄带滤色片810，聚焦物镜811，透镜812，光阑板813，四象限光电探测器814，道跟踪线圈822，永磁体823，聚焦线圈824，聚焦物镜支架825，阻尼弹簧826，光学头支架827组成，它们按上述位置关系摆放，并固定在光学头支架上。

所述的用于双光子三维盘式存储的自动调焦和道跟踪装置而提出的方法，其特征在于，它依次含有以下步骤。

(一)写入过程：

计算机821控制执行器中的光学头定位电机910推动光学头移动到盘片最外圈；

转盘电机819带动盘片以一定的恒角速度转动；

读出激光器81开始工作发出读出激光，计算机821控制电子快门85打开读出光束的通道；

计算机821控制反馈控制电路815产生驱动聚焦线圈824的电流，调整物镜811的垂直位置使读出光束聚焦在最上面一层已经由写入光束写过的记录层上，如果是第一次写入则聚焦在底层预先制作好的伺服道上；

计算机821控制反馈控制电路815产生驱动道跟踪线圈822的电流，调整物镜811的水平位置消除离道误差，完成道跟踪伺服；

写入激光器82开始工作发出写入激光，计算机821控制电子快门85快速开关对写入光束进行调制，此时系统开始在盘片上记录数据；

写入过程中，写入光束沿着下一层的螺旋道从外圈向内圈记录数据，当已经记录的螺旋道要超过道跟踪伺服的调节范围时，计算机821就控制执行器816中的光学头定位电机910向内圈进行微动。

当记录满一层数据时，光学头位于盘片的最内圈，此时计算机821控制电子快门85，挡住读出光束和写入光束，计算机821控制光学头定位电机829推动光学头移到盘片的最外圈；如果要继续记录数据则从上述步骤1)开始重复上述操作；如果不再记录数据则关闭整个系统。

(二)读出过程

转盘电机819带动盘片以一定的恒角速度转动；

计算机821控制反馈控制电路815产生驱动聚焦线圈824的电流，调整物镜811的垂直位置使读出光束聚焦在最上面一层已经由写入光束写过的记录层上；

此时就会有读出信号RF送入计算机821，计算机821根据读出信号可以得到此层记录的数据。

在记录层的外圈记录的是此层文件的索引，根据文件索引可以判断所要读出的数据是否在此层。如果不在此层就控制物镜811向下移动读取下一层的数据，继续搜索。

搜索到数据所在层后，控制光学头定位电机910移动到数据所在位置进行读取。

读取完数据后，关闭整个系统。

实验装置中使用的聚焦线圈和道跟踪线圈的具体参数如下：

聚焦线圈	直流电阻	6.0±1Ω
	直流电阻	6.0±1Ω	灵敏度	1.5mm/V

	共振频率	27±6Hz
	共振频率	27±6Hz	Q值	12±5Db
	道跟踪线圈	直流电阻	Q值	12±5Db	5.6±1Ω
灵敏度		直流电阻	0.5mm/V		5.6±1Ω
灵敏度		共振频率	0.5mm/V	41±6Hz
Q值		共振频率	14±6Db	41±6Hz

自动道跟踪控制系统的精度为±0.2μm，道跟踪的微动范围为±1.5mm，自动调焦控制系统的精度为±0.5μm，聚焦的微动范围为±1.2mm。盘式双光子存储体上的螺旋道间距为1.6μm。

附图说明

图1双光子存储方式图

图2单光束双光子多层写入及其共焦读出实验装置图

图3聚焦物镜结构图

图4双光子三维盘式存储的自动调焦和道跟踪原理图

图5共焦读出原理图

图6自动调焦控制系统：(a)聚焦时的光路图，(b)离焦时的光路图；

图7推挽法道跟踪检测原理图

图8装置图：(a)双光子三维盘式存储的自动调焦和道跟踪系统图，(b)执行器结构图，(c)反馈控制电路电路图。

图1中11、12、14是聚焦物镜，13、15是双光子存储材料。

图2中21是红宝石激光器，22是蓝宝石激光器，23是电子快门，24、25、26、28是偏振分光棱镜，27是XY扫描器，29是滤光片，210是CCD摄像机，211、212是共焦透镜，213是双光子存储材料，214是计算机，215是三维微动平台。

图3中31是外圈透镜，32是内圈透镜，33是读出光束，34是写入光束。

图4中41是双光子写入光束，42是读出光束，43是聚焦物镜，44是双光子存储材料，45是保护层。

图5中51是读出光束，52是偏振分光棱镜，53、56是共焦透镜，54是双光子存储材料，55是窄带滤光片，57是光阑板，58是探测器。

图6中61是偏振分光棱镜，62、68是共焦透镜，63是双光子存储材料，64是反馈控制电路，65是执行器，66是临界角棱镜，67是窄带滤光片，69是光阑板，610是探测器。

图7中71是记录符，72是读出光斑，73是探测器。

图8中81是读出激光器，82是写入激光器，83是读出光束挡光片，84是写入光束挡光片，85是电子快门，86、87、88是偏振分光棱镜，89是临界角棱镜，810是窄带滤光片，811是聚焦物镜、811与812组成共焦透镜组，813是光阑板，814是探测器，815是反馈控制电路，816是执行器，817是盘式双光子存储材料，818是夹持器，819转台电机，820是运算电路，821是计算机，822是道跟踪线圈，823是永磁体，824是聚焦线圈，825是物镜支架，826是阻尼弹簧，827是光学头支架，828是精密丝杠，829是光学头定位电机。

具体实施例

双光子存储材料采用一种俘精酸酐衍生物即吡咯取代的俘精酸酐。把吡咯取代的俘精酸酐分子材料溶解后制备成厚度约为100μm的透明薄膜。这种存储介质是光致变色分子材料。变色前薄膜呈透明的淡黄色；吸收两个波长为390nm的光子后，记录点变为蓝紫色。变色后的记录点用波长为500～700nm的激光照射会发出荧光。将变色前的状态记为“0”，变色后的状态记为“1”。用红宝石激光器经二倍频输出532nm的激光作为读出光束。用中心波长为780nm(390nm×2)的蓝宝石激光器作为双光子写入光束。聚焦物镜将读出光束和写入光束分别聚焦于两点，两点的垂直距离为3μm。这样在100μm厚的薄膜上可以记录30层以上。盘式双光子存储体底层的伺服道制作方法如下：先用树脂材料压出带有深度小于100nm的螺旋槽的盘基，然后在螺旋槽内用已经变色的双光子材料(被读出光束照射会发出荧光)填满螺旋槽，要保证螺旋槽以外的区域不能有变色的双光子材料，最后再在上面旋涂未变色的双光子材料，旋涂的厚度可根据要记录层数的需要而调整，旋涂的厚度甚至可以达到毫米量级。

Claims

1、用于双光子三维盘式存储的自动调焦和道跟踪装置，其特征在于，它包括：

a)计算机(821)；

b)读出激光器(81)，发出荧光读出光束，以下简称读出光束，读出光束为平行光束；

c)写入激光器(82)，发出双光子写入光束，以下简称写入光束，写入光束也为平行光束；

d)读出光束挡光片(83)，经过它的读出光束的横截面变为圆环形；

e)写入光束挡光片(84)，经过它的写入光束的横截面变为圆形，圆形的直径略小于经过读出光束挡光片的光束的横截面的圆环形的内径；

f)电子快门(85)，它由上述计算机(821)控制，在读出时，选通读出光束，在写入时，既选通读出光束，又选通写入光束，并通过快门的快速开关对写入光束进行调制，如果采用的是半导体激光器则直接控制半导体激光器的开关对写入光束进行调制；

g)偏振分光棱镜(86)，它接收来自电子快门(85)的读出光束；

h)偏振分光棱镜(87)，在读出时，它只接收来自偏振分光棱镜(86)的读出光束，写入时它既接收来自偏振分光棱镜(86)的读出光束，又接收来自电子快门(85)的写入光束；

i)偏振分光棱镜(88)，读出时，它接收来自偏振分光棱镜(87)的读出光束，写入时，它接收经偏振分光棱镜(87)组合后的内外嵌套的写入光束和读出光束；

j)临界角棱镜(89)，它的顶角取光线从玻璃入射到空气发生全反射的临界角；它接收从下述记录层的记录符上发出并经过聚焦物镜(811)、偏振分光棱镜(88)而反射来的荧光光束；

k)窄带滤色片(810)，只允许记录符受读出光束照射发出的荧光通过，阻挡其它波长的光；

l)聚焦物镜(811)，由两个焦距不同的球面透镜组成，内圈透镜(32)焦距略小于外圈透镜(31)的焦距，且外圈透镜焦距与内圈透镜焦距之差等于记录层的层间距，内圈透镜(32)表面镀有光学薄膜，允许让写入光束通过，但不让记录过信息的双光子材料受读出光束照射时发出的荧光通过；读出时，外圈透镜(31)接收来自偏振分光棱镜(88)的读出光束，并将读出光束聚焦在下述盘式双光子存储材料(817)中要读取的记录层上进行聚焦伺服和道跟踪伺服，同时读取该层数据；写入时，内圈透镜(32)与外圈透镜(31)分别接收来自偏振分光棱镜(88)的内外嵌套的写入光束和读出光束，外圈透镜(31)将读出光束聚焦在下述盘式双光子存储材料(817)中记录过数据的最上面一层的记录层上只进行聚焦伺服和道跟踪伺服，而不读取此层数据，以下称此层为伺服层，内圈透镜(32)将写入光束聚焦在伺服层的上一层并将数据写入该层；读出光束焦点处的记录符受读出光束照射而发出的荧光经外圈物镜后变为平行光束射向偏振分光棱镜(88)，射向内圈透镜(32)的荧光被镀在内圈透镜(32)表面上的光学薄膜所阻挡，当记录符偏离读出光束的焦点时，记录符发出的荧光经外圈透镜(31)后变为不平行光束；

m)透镜(812)，与聚焦物镜(811)组成共焦透镜组，接收偏振分光棱镜(88)反射的平行的荧光光束；

n)光阑板(813)，所述共焦透镜组将记录符发出的荧光精确的聚焦在这块光阑板(813)上；

o)四象限光电探测器(814)，它有A、B、C、D四个独立的探测器，在空间上它们分别依次位于第一、二、三、四共4个象限，它监测聚焦在光阑板(813)上的上述荧光光束，并输出4路相对应的也用A、B、C、D表示的电信号；

p)盘式双光子存储材料即盘片(817)，在它的底层有一层预先制作的螺旋伺服道，数据沿着螺旋伺服道被一层一层的记录到盘式双光子存储材料中，层间距等于写入光束和读出光束被物镜聚焦于两点之间的垂直距离，在记录过数据的记录层上存有用户数据以及这些数据所在的层信息和扇区信息；

q)夹持器(818)，用于夹紧盘式双光子存储材料(817)；

r)转盘电机(819)，它与夹持器(818)固定在一起，驱动盘式双光子存储材料(817)恒角速度转动；

s)执行器(816)含有：聚焦物镜支架(825)；光学头支架(827)，与聚焦物镜支架(825)用阻尼弹簧(826)连接；道跟踪线圈(822)和聚焦线圈(824)，分别绕在聚焦物镜支架(825)上，两个线圈在空间上交叉90度；两块永磁体(823)，固定在光学头支架(827)上；光学头定位电机(829)带动精密丝杠(828)，沿水平方向从盘片的外圈向内圈或从盘片的内圈向外圈推动光学头支架；

t)运算电路(820)，它由运算放大器构成的加法器和减法器组成，接收上述四象限光电探测器(814)输出的4路电信号，将这些信号进行加减运算生成聚焦误差信号(FES)、道跟踪误差信号(TES)和读出信号(RF)；FES＝A+B-(C+D)，若入射光束聚焦在记录层上时，FES＝0，当焦点向上偏离记录层时，FES＞0，反之，FES＜0；TES＝A+C-(B+D)，当读出光束聚焦后的光斑正确落在上述由记录符形成的螺旋伺服道时TES＝0，当向内圈偏离上述螺旋伺服道时，TES＞0，反之，TES＜0；RF＝A+B+C+D；

u)反馈控制电路(815)，运算电路输出的聚焦误差信号(FES)和道跟踪误差信号(TES)，分别与计算机送入的经过数模转换的参考信号相减后，分别送入PID校正电路1和PID校正电路2，PID校正电路1和PID校正电路2的输出分别与偏置电压相加后送入压流转换芯片BA5937的两个输入端，生成驱动执行器(816)中的聚焦线圈(824)和道跟踪线圈(822)的电流信号，调整聚焦物镜(811)的位置消除聚焦误差和离道误差；改变其中流过聚焦线圈(804)的电流能使聚焦物镜(811)沿盘式双光子存储材料(817)的轴向微动，改变流过道跟踪线圈(803)的电流能使聚焦物镜(811)沿平行于盘式双光子存储材料(817)中记录层的径向微动，从而实现自动调焦和道跟踪；

v)光学头，由所述读出激光器(81)，写入激光器(82)，读出光束挡光片(83)，写入光束挡光片(84)，电子快门(85)，偏振分光棱镜(87)，偏振分光棱镜(86)，偏振分光棱镜(88)，临界角棱镜(89)，窄带滤色片(810)，聚焦物镜(811)，透镜(812)，光阑板(813)，四象限光电探测器(814)，道跟踪线圈(822)，永磁体(823)，聚焦线圈(824)，聚焦物镜支架(825)，阻尼弹簧(826)，光学头支架(827)组成，它们按上述位置关系摆放，并固定在光学头支架上。

2.根据权利要求1所述的用于双光子三维盘式存储的自动调焦和道跟踪装置而提出的方法，其特征在于，它依次含有以下步骤：

(一)写入过程：

1)计算机(821)控制执行器中的光学头定位电机(829)推动光学头移动到盘片最外圈；

2)转盘电机(819)带动盘片以一定的恒角速度转动；

3)读出激光器(81)开始工作发出读出激光，计算机(821)控制电子快门(85)打开读出光束的通道；

4)计算机(821)控制反馈控制电路(815)产生驱动聚焦线圈(824)的电流，调整聚焦物镜(811)的垂直位置使读出光束聚焦在最上面一层已经由写入光束写过的记录层上，如果是第一次写入则聚焦在底层预先制作好的伺服道上；

5)计算机(821)控制反馈控制电路(815)产生驱动道跟踪线圈(822)的电流，调整聚焦物镜(811)的水平位置消除离道误差，完成道跟踪伺服；

6)写入激光器(82)开始工作发出写入激光，计算机(821)控制电子快门(85)快速开关对写入光束进行调制，此时系统开始在盘片上记录数据；

7)写入过程中，写入光束沿着下一层的螺旋道从外圈向内圈记录数据，当已经记录的螺旋道要超过道跟踪伺服的调节范围时，计算机(821)就控制执行器(816)中的光学头定位电机(829)向内圈进行微动；

8)当记录满一层数据时，光学头位于盘片的最内圈，此时计算机(821)控制电子快门(85)，挡住读出光束和写入光束，计算机(821)控制光学头定位电机(829)推动光学头移到盘片的最外圈；如果要继续记录数据则从上述步骤1)开始重复上述操作；如果不再记录数据则关闭整个系统；

(二)读出过程

2)转盘电机(819)带动盘片以一定的恒角速度转动；

4)计算机(821)控制反馈控制电路(815)产生驱动聚焦线圈(824)的电流，调整聚焦物镜(811)的垂直位置使读出光束聚焦在最上面一层已经由写入光束写过的记录层上；

6)此时就会有读出信号(RF)送入计算机(821)，计算机(821)根据读出信号可以得到此层记录的数据；

7)在记录层的外圈记录的是此层文件的索引，根据文件索引可以判断所要读出的数据是否在此层。如果不在此层就控制聚焦物镜(811)向下移动读取下一层的数据，继续搜索；

8)搜索到数据所在层后，控制光学头定位电机(829)移动到数据所在位置进行读取；

9)读取完数据后，关闭整个系统。